栄養による宇宙での免疫機能維持

１．はじめに 宇宙飛行では免疫機能が低下するが，感染症予防のた めに常時抗生物質を利用することは望ましくない。食物 や食物成分によって免疫増強を行うことができれば好都 合である。グルタミンやアルギニンは，強い免疫増強作 用をもつことが知られており，術後栄養剤としても利用 されている。我々は，グルタミンやアルギニンの免疫増 強作用をはじめ細胞増殖作用，腸粘膜の修復作用，老化 による脳機能低下予防などの生理機能について研究を 行ってきた。そしてヌクレオチドが同様の機能をはるか に少量で発揮することを見出した。その理由として，グ ルタミンやアルギニンを投与することにより，ヌクレオ チドの合成が高まるためであることが挙げられる。ヌク レオチドはグルタミンやアルギニンよりも物質的に安定 で，味もよいことから，今後多くの有効利用法が開発さ れてくると期待される。もちろん，痛風が起こるような 過剰摂取は避けなければならないが，グルタミンやアル ギニンが有効に使用されている多くの場合，はるかに少 量のヌクレオチドで置き換えることができると考えてい る。 本稿では，ヌクレオチドの免疫増強を中心とした生理 機能を明らかにするため，１．グルタミン，アルギニン およびヌクレオチドの腸上皮細胞増殖に及ぼす効果比 較，２．ヌクレオチドの免疫機能上の役割，３．ヌクレ オチドによる微少重力環境下での免疫力低下の予防，に ついて概説する。 ２．グルタミン，アルギニンおよびヌクレオチドの 効果比較 グルタミンやアルギニンは，腸疾患の改善１‐６）_，免疫 機能の亢進７‐１４）_{など多彩な生理機能が注目されている。} ヌクレオチドも腸機能１５‐１９）_{や免疫機能}２０‐２４）_{を高める。グ} ルタミン，アルギニンおよびヌクレオチドは，好ましく ない生理機能も似ている。例えばジニトロベンゼンスル フォン酸によって起こされたラットの大腸炎は，ヌクレ オチド２５）_{，アルギニン}２６）_{，またはグルタミン}２７）_の投与に よって悪化する。生理機能効果を示す量はヌクレオチド がグルタミンやアルギニンよりもかなり少ない３，１３，２３）_。 グルタミンはアルギニンやヌクレオチドに窒素を供給す るという代謝上の関連がある（図１）２８）_{。このような情} 報を基に我々は，グルタミンの生理機能は窒素を供給し てヌクレオチドの合成を高めて発揮されていること，ア ルギニンの生理機能はグルタミンからアルギニン合成の 流れを節約しヌクレオチド合成を促進させることで発揮 されているとの仮説をたてた。さらにグルタミンの生理 機能はエネルギー源としてではないとの仮説をたてた。 なぜなら，グルタミンがエネルギー源として効果がある ならば，グルタミンはグルタミン酸になりエネルギーを 生じるのであるからグルタミン酸にも効果があるはずで あるからであり，またグルタミンとグルタミン酸ともに 細胞内に取り込まれるためである。 これらの仮説を立証するために，本実験ではヌクレオ チド合成能力の無い腸上皮細胞 Caco-2 の増殖に対する， グルタミン，グルタミン酸，アルギニンおよびヌクレオ チドの効果を調べた２９）_{。増殖は，ヌクレオチドでは８日}

総

説

栄養による宇宙での免疫機能維持

山

本

茂

，

Anil D Kulkarni

，

山

内

圭

子

，

Alamelu Sundaresan

，

藤

原

敦

子

後，グルタミンでは１２＆１６日後に有意に増加したが，グ ルタミン酸はどの濃度でも効果はなかった（図２）。１６ 日目のデータのみで比較すると，ヌクレオチドでは０．００６ mmol／L で，グルタミンでは２mmol／L で最高値が観察 された。すなわち，ヌクレオチドの効果はグルタミンの １００分の１以下の濃度で発揮されることを示している。 培養ペトリ皿（７５!）に［５‐１５_{N］グルタミンを含ん} だ培地にヌクレオチド（０．０１２，０．１２または１．２mmol／L） およびアルギ ニ ン（１．０，２．０ま た は４．０mmol／L）を 加 えた培地で，Caco-2 細 胞（２．６×１０４cells／!）を８日間 培養した。DNA 中のヌクレオチドを分離し，N 濃度と１５_N 濃度を N 自動分析機および１５_{N 自動分析機で測定した。} その結果，Caco-2 細胞増殖に対するアルギニンの効果 は，グルタミンが存在するときは明らかに見られたが， グルタミン無しでは見られなかった。また，ヌクレオチ ド合成に対するアルギニンとヌクレオチドの添加効果に ついて，DNA の N への１５_{N の取り込みはアルギニン添} 加で増加し，ヌクレオチド添加で低下した。この結果は， 「アルギニンの生理的役割の１つはヌクレオチド合成の 亢進を通して行われる」と解釈できよう。病院では，ア ルギニンは pH の高いという問題点にもかかわらず一般 的によく使われている。もし我々の考えが受け入れられ れば，アルギニンに代わってヌクレオチドが利用される であろう。 ３．食事中核酸の免疫機能上の役割 一般的に生体は，必要なヌクレオチドを新生でき，外 因性（食事中）のヌクレオチドは必要ではないと考えら れている。この考えは健康な人や動物を対象に行われた 研究に基づくものである。しかしながら，最近の研究で は，腸や免疫系のように代謝が活発な細胞や組織ではヌ クレオチドの要求が多く，de novo 系のみの合成量では 不十分で，供給をサルベージ系に依存していることが知 られている。このようなことから，我々は「ヌクレオチ ドの要求量が高い感染時などにおいては，生体内で合成 されたヌクレオチド量だけでは不十分で，食事からのヌ 図２ Caco‐２細胞増殖に対する（a）ヌクレオチド（NT），（b） グルタミン（Gln），（c）グルタミン酸（Glu）の効果。 平均値±SE 図１ グルタミン，アルギニン，ヌクレオチドの代謝関連図。

NO；nitric oxide，NT ；nucleotide，

PRPP；phoshoribosylpyrophoshate.

クレオチドの供給が重要な働きを果たす」という仮説を 立て，これを明らかにするためにいくつかの研究を行っ た３０，３１）_。 免疫機能の低下した人にとって感染症は主要死因の一 つであり，特にメチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA） の感染は問題である。マウスによる本研究では，ヌクレ オチドを投与することにより，MRSA に対する宿主の 抵抗力が著しく増加することを示した（図３）３２，３３）_。免 疫抑制剤を投与したマウスに MRSA を投与したときも 同様の効果を観察した３４）_{。また，食事にヌクレオチドを} 添加すると，遅延型過敏症反応や膝窩リンパ節の幼若化 反応の亢進，脾臓細胞による IL‐２やインターフェロン γの分泌が亢進した３５）_。 骨髄細胞は de novo 系での塩基やヌクレオチドの合成 能に限界がある。食事にヌクレオチドを添加することに より骨髄の増殖が刺激され，その結果として MRSA 投 与マウスにおいて末梢好中球数が著しく増加し，生存率 が高まった３６，３７）_。 腸は栄養素の消化・吸収だけでなく，免疫機能におい ても重要な役割を担っており，生体に侵入した病原体に 対する効果的な防御壁として機能している。食事性ヌク レオチドは，エンドトキシンの投与で腸粘膜を損傷した マウスの腸形態と機能を回復させ，細菌の生体内侵入を 阻止する３８，３９）_{（図４）。} ４．無重力による免疫低下と栄養による改善 宇宙空間では免疫力が低下し，感染の危険性が高まる。 我々は，上に述べたような経緯から，よく知られている グルタミンやアルギニンを食事に添加して免疫力を高め るよりも，ヌクレオチドで高めるほうが，量，安定性， 味などの点から優れていると考えた。そこで，テキサス 大 学 ヒ ュ ー ス ト ン 校 ヘ ル ス サ イ エ ン ス セ ン タ ー （UTHSCH）においてヌクレオチドを模擬宇宙環境に おいて調べた４０）_。 図３ ヌクレオチドを与えた BALB／c 雌マウスにメチシリン耐性 黄色ブドウ球菌を感作後の生存率。 ヌクレオチド群（●）２５匹，対照群（■）２４匹，＊p＜０．０１ 図４ 写真左：腹腔内へエンドトキシン５０µg を投与４８h 後の蛋白質欠乏マウス回腸末端部；腸粘膜の萎縮が明白である。絨毛の長さ，陰 窩部の奥行は共に衰退し，腸壁も薄くなっている（×２００）。写真右：食事に０．５％のヌクレオチドを添加した場合。腸粘膜及び腸 壁の状態が改善されている（×２００）。 山 本 茂他 ３０４

１）尾部懸垂マウス（図５） 尾部懸垂により模擬無重力状態を作るためにマウスの 後肢を懸垂した４１）_{。マウスの後肢に５０}µ_{l の同系，マウス} 脾細胞を，反対側の後肢には異系マウス脾細胞を注入 し，７日後，膝窩リンパ節を摘出し，重量を測定した。 ま た，脾 細 胞 を PHA で 刺 激 し た と き の 脾 細 胞 増 殖 を3_{H thymidineの取り込みで観察した。その結果，ヌク} レオチドを添加した食事で飼育したマウスでは，リンパ 球や脾細胞の増殖が高まった。 ２）旋回式細胞培養（bioreactor-BIO）（図６） 旋回式細胞培養とは，細胞を旋回させながら模擬的な 無重力状態をつくり細胞を培養することである。この方 法で培養したリンパ球増殖反応は通常の状態での培養に 比べて低下するが，培地にヌクレオチドを添加すると低 下を防ぐことができた４２）_{。細胞の形態を電子顕微鏡で観} 察すると細胞膜表面の形状の改善が確認された。 以上，UTHSCH のこれまでの研究は，食事のヌクレ オチドが，宇宙飛行時の免疫力低下を抑制する可能性を 示したものである。このような結果は，免疫力の低下し た高齢者や術後においてもヌクレオチドの利用が有効で あることを示唆するものである。 文 献

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Maintenance of immunity by nutrition in space

Shigeru Yamamoto

, Anil D Kulkarni

, Keiko Yamauchi

, Alamelu Sundaresan

and

Atsuko Fujiwara

１）_{Applied Nutrition, Department of Nutrition, The University of Tokushima School of Medicine, Tokushima, Japan} ２）_{Department of Surgery, University of Texas Health Science Center at Houston, Houston, TX. USA}

３）_{NASA/Universities Space Research Association, Johnson Space Center, Houston, TX. USA}

SUMMARY

Immunity decreases in the microgravity condition. For the prevention of infection in the space constant use of antibiotics is not recommended. There are some foods and nutri-ents which are reported to enhance immunity. Their benefit in space is desirable. Glutamine and arginine have various physiological functions. We have seen that these two amino acids promote the resistance against pathogenic bacterial infection by increasing im-munity and the recovery of intestinal tissues from damage by endotoxin.

We have also shown that nucleotides have similar effects as the two amino acids at much smaller quantities. Nucleotides are more stable and palatable than these amino acids.

In this paper, we described ; 1 ) the comparison of physiological functions of glutamine, arginine and nucleotides, 2 ) the role of nucleotides on the immunity and 3 ) the usefulness of nucleotides to maintain immunity in microgravity environment.

Key words : space, immunity, nutrition, nucleotides, glutamine, arginine

山 本 茂他